Metan från kornas fodersmältning Rebecca Danielsson Greppa Näringens grundkurs Jordbruket och klimatet, 30/1 2019 1
Disposition Kornas metanproduktion hur stor påverkan har den? Hur bildas metan i kon Vad sker inom forskningen Vad kan göras på gårdsninvå 2
Växthusgasutsläpp i Sverige (Naturvårdsverket, 2019) 3
Metan (CH 4 ) Bildas i syrefria miljöer, så som våtmarker (kärr), havsbottnar, risfält, lagring av avfall, djurs fodersmältningssystem. Växthusgas, 28 ggr större uppvärmningspotential jämfört med koldioxid (CO 2 ) vid beräkning av koldioxidekvivalenter för 100 år. Dock har global warming potential (GWP) blivit mer ifrågasatt senare år. 4
Växthusgaser bildas i olika delar av produktionskedjan Odling, skörd, lagring och transport, N 2 O, CO 2 and CH 4 Djur, CO 2 and CH 4 Gödsel CO 2, CH 4 and N 2 0
Metanproduktion sker i de flesta djur Metanproduktion per art och år
Är kornas metanproduktionen ett problem? 44% kommer fån kornas matsmältning (FAO 2016) 7
Metanproduktion hos Svenska kor Beräknat enligt NorFors modell CH 4 (MJ/ko/dag) = 1.39*torrsubstansintag -0.091*fettsyror (g/kg TS i hela fodret) Mjölkkor - 141 kg per ko och år TS-intag = 17.4 kg, Fettsyror 29.1 g/kg TS Dikor - 92 kg per ko och år TS-intag =10.9 kg, fettsyror 12 g/kg TS Beräkningar tagna från rapport till Naturvårdsverket 2016, Jan Bertilsson 8
Kons metanproduktion Våmmen Kolhydrater Växtmaterial 9
Kons metanproduktion Våmmen Mikroorganismer Kolhydrater Växtmaterial Mikrobiell nedbrytning 10
Kons metanproduktion Våmmen Mikroorganismer Fettsyror H 2 CO 2 Kolhydrater Växtmaterial Mikrobiell nedbrytning Fettsyror, H 2, CO 2 11
Kons metanproduktion Våmmen Mikroorganismer Fettsyror H 2 CO 2 Kolhydrater Växtmaterial Mikrobiell nedbrytning Fettsyror, H 2, CO 2 Metanogener 12
Kons metanproduktion CH 4, 5% CH 4, 95% Våmmen Mikroorganismer Fettsyror H 2 CO 2 Kolhydrater Växtmaterial Mikrobiell nedbrytning Fettsyror, H 2, CO 2 Metanogener CH4 13
Metan är en energiförlust för kon Energifölust av bruttoenergi (2-12%) - Forskning har pågått i över 100 år (Kellner (1900) Metanproduktion hos svenska mjölkkor 2015 (9441 Kg ECM/år),141 Kg per ko och år, energiförlust 6.5 % av bruttoenergi CH 4 14
Energiförluster Bruttoenergi Gödsel Smältbarenergi Urin CH 4 Omsättbarenergi Nettoenergi Värme 6-12% av bruttoenergiintaget försvinner som CH 4 Produktion Underhållsbehov 15
Carbohydrates in feed Glucose 4 NADH H + 2 NADH H + 2 Ethanol 2 NADH H + 2 Pyruvate 4 NADH H + 2 Lactate 2 CO 2 2 CO 2 2 Succinate 2 NADH H + 2 NADH H + 2 Acrylate 2 Acetyl - CoA 4 NADH H + 2 CO 2 2 Propionate 2 Acetate Butyrate 2 Propionate Source:Moss, et al., 2000 16
Carbohydrates in feed Glucose 4 NADH H + 2 NADH H + 2 Ethanol 2 NADH H + 2 Pyruvate 4 NADH H + 2 Lactate 2 CO 2 2 CO 2 2 Succinate 2 NADH H + 2 NADH H + 2 Acrylate 2 Acetyl - CoA 4 NADH H + 2 CO 2 2 Propionate 2 Acetate Butyrate 2 Propionate Source:Moss, et al., 2000 17
Carbohydrates in feed 4 NADH H + Glucose 2 NADH H + Energy for the cow 2 Ethanol 2 NADH H + 2 Pyruvate 4 NADH H + 2 Lactate 2 CO 2 2 CO 2 2 Succinate 2 NADH H + 2 NADH H + 2 Acrylate 2 Acetyl - CoA 4 NADH H + 2 CO 2 2 Propionate 2 Acetate Butyrate 2 Propionate Source:Moss, et al., 2000 18
Carbohydrates in feed Glucose 4 NADH H + 2 NADH H + 2 Ethanol 2 NADH H + 2 Pyruvate 4 NADH H + 2 Lactate 2 CO 2 2 CO 2 2 Succinate 2 NADH H + 2 NADH H + 2 Acrylate 2 Acetyl - CoA 4 NADH H + 2 CO 2 2 Propionate 2 Acetate Butyrate 2 Propionate Methanogenesis: CO 2 + H 2 CH 4 + H 2 O Source:Moss, et al., 2000 19
Carbohydrates in feed Glucose 4 NADH H + 2 NADH H + 2 Ethanol 2 NADH H + 2 Pyruvate 4 NADH H + 2 Lactate 2 CO 2 2 CO 2 2 Succinate 2 NADH H + 2 NADH H + 2 Acrylate 2 Acetyl - CoA 4 NADH H + 2 CO 2 2 Propionate 2 Acetate Butyrate 2 Propionate Methanogenesis: CO 2 + H 2 CH 4 + H 2 O Source:Moss, et al., 2000 20
21
Hur kan man mäta metan? >100 år, olika metoder har tagits fram med syfte att mäta metan Alla modeller har sina för- och nackdelar Använder data för att förbättra faktorer som är med i teoretiska beräkningar
I kammare Direkt från djur(in vivo) - Kammare, referensmetod
.. med spårgasteknik, svavel hexafluorid (SF₆) Filter som släpper ut en känd mängd av spårgas/ dag Behållare med vakum som kopplas med en liten slang på grimman där utandningsluft sugs in
.. med spårgasteknik, svavel hexafluorid (SF₆)
.. med korta, upprepade mätningar med infraröd teknik IR-teknik ökar variationen i mätningarna, men ökar möjligheten att mäta på många djur C-lock
Each peak= a burp 27
Mäta metan på lab Labsystem (in vitro), minskar påverkan på djur och minskar kostnader
29
Vad är det som påverkar mängden metan som bildas? 30
Effekt av foderintag FAO, 2013 31
Vad beror variationen på??? Sammansättning av foder Genetik?? Mikrober 32
Fodrets sammansättning Proportion grovfoder:kraftfoder - Ökad andel stärkelse minskar CH 4 / kg TS inte visat i nordiska studier - Hög andel kraftfoder >90 %, metanförlust av bruttoenergi ~3 % - Våmmiljön? Grovfoder - Sockerinnehåll - Smältbarhet Foto: Mikaela Patel
Effekt av andel kraftfoder 34
Fodrets sammansättning Proportion grovfoder:kraftfoder - Ökad andel stärkelse minskar CH 4 / kg TS inte visat i nordiska studier - Hög andel kraftfoder >90 %, metan förlust av bruttoenergi ~3 % - Våmmiljön? Grovfoder - Sockerinnehåll - Smältbarhet Foto: Mikaela Patel
Modeller att beräkna metanproduktion Utvecklats för kvantifiering av metan, globalt, nationellt eller på gårdsnivå. Idag finns väldigt många olika modeller som tar med olika parametrar: Reference Model R 2 N Jentsch et al. 2007 Methane (kj/d) = 1.62 d_cp _ 0.38 d_cfat + 0.90 337 3.78 d_cf + 1.49 d_nfe +1142 (g/d) 0.90 337 Ellis et al. 2007 Methane (MJ/d) = 0.14 forage (%) + 8.6 0.56 89 Mills et al. 2003 Methane (MJ/d) = 0.07 ME (MJ/d) + 8.25 0.55 159 Mills et al. 2003 Methane (MJ/d) = 0.92 DMI (kg/d) + 5.93 0.60 159
Modeller som används i Sverige för att beräkna metanproduktion Meta-analys 298 olika foderstater (Ramin and Huhtanen 2013, J. Dairy Sci.) Resultat: Ts-intag främsta parametern, men modellen blev bättre när fler parametrar togs med: OMD, EE, NDF och NFC
Modeller som används i Sverige för att beräkna metanproduktion Meta-analys 298 olika foderstater (Ramin and Huhtanen 2013, J. Dairy Sci.) Resultat: Ts-intag främsta parametern, men modellen blev bättre när fler parametrar togs med: OMD, EE, NDF och NFC I Norfor används Ts-intag och andel fettsyror i foderstaten.
Metanproduktion vid hög grovfoderandel - studie Studera metanproduktionen hos mjölkkor utfodrade med olika andelar grovfoder Undersöka sammansättningen av den metanogena populationen och eventuella kopplingar till metanproduktion 39
Metanproduktion vid hög grovfoderandel - studie 5 kor i en cross-over design Grovfoder:kraftfoder 50:50 Låg grovfoder 90:10 Hög grovfoder Photo: M. Patel Metanmätning med - SF 6 spårgasteknik. Analys av våmvätska Flyktiga fettsyror Arkeepopulation - kvantifierar antalet metanbildande arkeer (qpcr) - Populationsstrukturen av metanogener 40
Resultat Låg grovfoder Hög grovfoder SED P-value CH 4 CH 4 (g/dag / ko) 267 339 35 (0.0871) CH 4 (g/kg TS) 16.9 20.2 2.0 NS Mol/ 100 mol Fettsyror Ättiksyra 58.2 59.5 1.31 NS Propionsyra 23.0 23.2 0.52 NS Smörsyra 11.7 9.81 0.42 0.033 ph 6.07 6.25 0.022 0.014 Antal Metanogener 3.47 x 10 8 1.26 x 10 7 0.13 0.0004 Methanobacteriales 1.59 x 10 8 1.62 x 10 7 0.054 0.002 41
Relative abundance, % Sammansättning av metanogena population inom foderstat Större skillnad mellan individer än mellan foderstater! 42
Individuell variation CH 4 produktion skiljer mellan individer Möjligt att selektera för låg metanproduktion hos kor? Orsak? Fysiologi våmstorlek (passagehastighet) Olika mikobsamhällen i våmmen?
Möjlighet för avel på lågmetan? Risk för selektion på sämre fodersmältning Fodereffektivitet är viktigaste parametern - Ökad fodereffektivitet och lägre metanproduktion har visat sig ha ett samband. - Avel för ökade FE, lyckad på gris och kyckling - svårt att mäta foderintag, forskningsnivå ännu. Basrab et al., 2013. Animal 7: 303 315 44
Finns det preparat som kan minska metanproduktionen? Fett Jonoforer Tanniner Vaccinering 3NOP (Nitrooxypropanol)
Fettillsats Biohydrogenering av omättat fett konkurrerar om H 2 Ökad propionsyraandel Antimikrobiell påverkan Begränsad tillsats, < 5 % TS.
Jonoforer och Tanniner Jonoforer (antibiotikaliknande preparat) hämmar vissa fibernedbtytande bakterier och metanogener Förbjudet i Europa Tanniner och saponiner undgår nedbrytning i vommen hämmar vissa mikrober. Kan påverka smältbarheten negativt Photo:Salbio.de
Vaccinering och metanhämmande substrat Vaccinering vaccinera mot metanogener för att inhibera CH 4 produktion. Vart tar vätgasen vägen? 3NOP (Nitrooxypropanol) Små molekylhämmare som blockerar sista steget i metanogenesen methanogenesis. Rödalger, hämmar metanogener. Långtidseffekt? Kostnad
3NOP effekt på metanproduktionen 29-31 % lägre metanproduktion Hristov et al., 2015
3NOP effekt på vätgasproduktionen
Kortfattad sammanställning Metod att minska metan Potential att minska CH 4 Kommentar Andel kraftfoder Låg-medium Viss effekt med hög inblandning. Negativt för våmmiljö, konkurrens om odling Fettillsats Medium <5 % annars risk att hämma fermentationen i våmmen Nitrat Medium Risk för förgiftning, måste tillsättas succesivt Kondenserade tanniner Låg För hög tillsats sänker smältbarheten i foder 3-nitrooxypropanol Medium-hög Kostnad? Riskbedöming mjölkproduktion Rödalger Medium-hög? Måste testas på kor och under lång tid
Vad vet forskarna idag Hur metan bildas vilka organismer som står för metanbildningen, men inte kopplingen mellan olika grupper och hur olika substrat påverkar hela mikroorganismsamhället. Fokus är att försöka minska metanproduktion genom; - Olika preparat som hämmar metanproducerande mikroorgansimer (hämmar H 2 bildning eller blockerar metanbildningen) - Utveckla ett vaccin som kan hämma metan - Val av foder - effekt i hela kedjan - Avel för effektivare foderutnyttjande och mindre metan - Ökad produktivitet
Vad kan man göra på gårdsnivå? Åtgärd Kortare uppfödningstid Tidig inkalvningsålder Effekt Färre dagar med metanproduktion för underhållsbehov Färre dagar med metanproduktion för underhållsbehov, tidigare start av produktion Effektivt foderutnyttjande Mer mjölk-/köttprodukt per kilo foder Friska djur Öka smältbarhet på fodret Fler dagar för produktion Ökar metan per kilo foder, men ökar även produkt av mjölk/kött, mindre metan per kilo produkt 55
fodereffektivitet Fertilitet Sänkt inkalvnings ålder Gödselhantering Kvigorna Foderspill Minskad dödlighet Friskare djur Feta djur Foderkvalitet - smältbarhet Brunstpass ning
På gårdsnivå! Det som minskar utsläppen ger oftast en ekonomisk fördel! 57
Högre mjölkproduktion ger mindre metan/ kg mjölk Gerber, 2011 58
Intensiva produktionssystem Foder och fodertillsatser beräknas minska metanproduktionen/kg ECM med 2-15 %. Genom att kombinera med fler strategier - avel och förbättrad managementsom ger batter fodereffektivitet och högre livstidsproduktion kan minska metanproduktionen med 15-30%. (Review: Knapp et al., 2014) 59
Ökad mjölkproduktion i ett större sammanhang Ökad effektivitet per mjölkko färre djur totalt. Idag kommer ~2/3 av svenskt nötkött från mjölkproduktionen Färre mjölkkor fler rena köttdjur behövs köttdjur betydligt högre utsläpp i relation till produkt 60
Kanadensisk studie Ko-kalv system Studie som räknade växthusgasemissioner på 295 gårdar Holos modell (anpassad från Tier II, IPCC) (Alemu et al., 2017. Agric.Sys). 61
Kanadensisk studie Ko-kalv system Utav totala utsläpp 65% från enteriska metanemissoner, 23 % från lagring av gödsel. Förlust av bruttoenergi, mellan 8-6 % of bruttoenergiintag Låg-metangårdar 19.9 (16.3-21.4) kg CO 2 e/kg såld levandevikt. Hög-metangårdar 28.7 (26.3-37.8) kg CO 2 e/kg såld levandevikt. 62
Kanadensisk studie Ko-kalv system Låg-metangårdar hade; tidigare kalvningar på året, högre tillväxt per dag, högre smältbarhet på fodret och högre andel råprotein, högre slaktfrekvens, färre ettåriga grödor i relation till perenna vallar, ingen kompostering av gödsel. 63
Genom att förbättra management ko-kalv system på högmetangårdar kan växthusgasutläppen minska med 31%. (Alemu et al., 2017. Agric.Sys). 64
rebecca.danielsson@slu.se Tack för att ni lyssnade! Frågor? 65
GWP Atmospheric lifetime GHGs has different radiative forcing GHG; CO 2, CH 4, N 2 O.. Global warming potential (GWP) during 100 years CH 4 28 times more than CO 2 N 2 O 276 times more than CO 2 Compares as CO 2 equivalents figures from cliparts.co
GHG - concentration in atmosphere over time Carbon dioxide, CO 2 Methane, CH 4 Nitrous oxide, N 2 O Year 67 Source: CSIRO, 2012
Asparagopsis armata 68
Individuell variation - studie 73 kor (SRB & Holstein) 90 180 dagar i mjölk Intag Mjölkproduktion CH 4 - produktion 69
Individuell variation - studie 3 provperioder Vomvätska Bakterier och metanogeners sammansättning, fettsyror Träck - smältbarhet 90 DIM 180 DIM 135 DIM 70
Individuell variation - resultat Total 73 kor Låg n =7 Mellan n = 8 Hög n = 6 SED P-value CH 4 (g/dag) 291 311 345 10.8 <0.001 TS-intag (kg/day) 23.8 26.4 24.2 1.34 ns CH 4 (g/kg TS) 12.4 11.9 14.5 10.8 ns ECM 36.2 39.1 35.3 3.20 ns
Skillnad mellan grupper i bakteriesammasättningen Låg Mellan Hög Signifikant skillnad mellan grupper (P<0.001) PC oa2 (14.6 %) CH 4 g/dag CH 4 g/kg ECM Vikt Smörsyra % M. Gottschalkii, % PCoA 1 (19.3 %) Propionsyra % M. Ruminantium % 72